神奇的石墨烯 或?qū)㈩嵏矓?shù)字電路工作方式

在自旋電子學(xué)（也稱磁電子學(xué)）的歷史上，石墨烯有著不同尋常的歷史。這種電子學(xué)利用電子本身的自旋狀態(tài)進(jìn)行信息編碼，而非傳統(tǒng)地利用電子本身的電荷去編碼。最初，石墨烯并沒有出現(xiàn)在這項(xiàng)領(lǐng)域的視野內(nèi)。因?yàn)楫?dāng)電子通過平面展開的石墨烯之后，自旋狀態(tài)沒有任何改變，而且電子的運(yùn)動方向也仍然隨機(jī)，并沒有形成一定的路徑。

OFweek電子工程網(wǎng)訊 帶有過濾電子自旋功能的石墨烯節(jié)點(diǎn)概念圖：藍(lán)色的鎳薄層和紅色的鐵薄層內(nèi)含有兩種自旋狀態(tài)(上旋和下旋)的電子。兩層金屬薄膜間放置了幾層石墨烯(石墨烯即單層碳原子組成的準(zhǔn)二維平面)，用來形成導(dǎo)電路徑，這條路徑只允許一種方向自旋的電子通過。電流通過這個(gè)金屬結(jié)點(diǎn)后，就成為了自旋極化電流。

展示圖來源：美國海軍實(shí)驗(yàn)室NRL

在自旋電子學(xué)(也稱磁電子學(xué))的歷史上，石墨烯有著不同尋常的歷史。這種電子學(xué)利用電子本身的自旋狀態(tài)進(jìn)行信息編碼，而非傳統(tǒng)地利用電子本身的電荷去編碼。最初，石墨烯并沒有出現(xiàn)在這項(xiàng)領(lǐng)域的視野內(nèi)。因?yàn)楫?dāng)電子通過平面展開的石墨烯之后，自旋狀態(tài)沒有任何改變，而且電子的運(yùn)動方向也仍然隨機(jī)，并沒有形成一定的路徑。但是據(jù)筆者所知，最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明石墨烯對自旋電子學(xué)可能有很大的作用，這也改變了科研項(xiàng)目主管人員的看法。

來自美國海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，最近做了一次實(shí)驗(yàn)，他們把一層石墨烯放到了幾層鎳和鐵的中間。這種層疊結(jié)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)了常溫下可過濾電子自旋的薄膜類結(jié)點(diǎn)。這項(xiàng)結(jié)果可能對于下一代磁阻式隨機(jī)訪問存儲器(MRAM)的研發(fā)有著巨大幫助。MRAM的原理就是利用自旋極化后的脈沖，將存儲位的磁信息從0翻轉(zhuǎn)到1，亦可反向翻轉(zhuǎn)。

自旋過濾這種現(xiàn)象，使獲取高度自旋極化的載流子成為可能。實(shí)際上，這種設(shè)備的原理就和過濾器一樣，只允許某一種自旋方向的電子通過，阻礙另一種自旋方向的電子。這樣可以使電子的“上”和“下”旋可以被區(qū)分開來，從而形成了數(shù)字邏輯中的“0”和“1”。

在這種層疊結(jié)構(gòu)中，自旋過濾現(xiàn)象是由石墨烯和晶鎳薄膜的量子機(jī)械特性相互作用而產(chǎn)生的。在鎳層和石墨烯層對齊后，這種結(jié)構(gòu)只允許一種特定自旋方向的電子從材料中流向另一端。

“這種自旋過濾以前在理論上就有人預(yù)測過，但之前只在低溫高阻結(jié)構(gòu)下被證實(shí)過”，NRL材料科學(xué)技術(shù)部門的首席研究員Enrique Cobas博士在一次發(fā)布會上提到。“新的結(jié)果證實(shí)，這種效應(yīng)(自旋過濾)在常溫下多種設(shè)備矩陣的低阻結(jié)構(gòu)中也可以存在。”

在期刊ACS Nano的文章中，NRL的研究員們正在勘查石墨烯層疊后的導(dǎo)電性以及與其他材料的交互方式。為此，NRL的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了一種新的方法，可以直接在一張平整的晶鎳合金薄膜上制造大片多層石墨烯薄膜。這種方法能夠保持鎳合金薄膜的磁特性，以便他們把這些薄膜排布成開關(guān)矩陣結(jié)點(diǎn)。

“我們依然有改進(jìn)的空間，因?yàn)槔碚撋贤ㄟ^精密調(diào)整石墨烯的層數(shù)，這種效應(yīng)可以增強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級，”NRL材料科學(xué)技術(shù)部門的科研員Olaf van‘t Erve博士在一次發(fā)布會上講到。“然而，當(dāng)前的模型并沒有包含在鐵磁接觸中發(fā)生的自旋轉(zhuǎn)換。當(dāng)我們把那些效應(yīng)也考慮進(jìn)去的時(shí)候，我們就可以真正逼近100%自旋極化的理想狀況了。這可以使我們修改并優(yōu)化當(dāng)前的設(shè)備構(gòu)造和材料，從而讓效應(yīng)最大化。”